あなたのデジタルライフのほとんど、あるいはすべてがリチウムイオン電池のおかげです。スマートフォンやノートパソコンなど、充電可能なものはほとんどすべて、車のバッテリーを除いてリチウムイオン電池で動いています。そして、その恩恵に感謝すべきは、新たにノーベル賞を受賞した3人の受賞者です。ジョン・B・グッドイナフ氏、M・スタンレー・ウィッティンガム氏、そして吉野彰氏は、本日、リチウムイオン電池の発明への貢献によりノーベル化学賞を受賞しました。3人は先人たちの研究成果を基盤に、この技術を着実に進化させてきました。
「携帯電話やハイブリッド電気自動車を思い浮かべがちですが、電気にアクセスできない人々にも影響を与えます」と、アメリカ化学会会長のボニー・シャルパンティエ氏は言います。「ボツワナへの旅行から帰ってきたばかりです。そこでは現代的な設備のない奥地で過ごしましたが、ガイドが携帯電話とソーラーパネルを持ってきてくれました。」
リチウムイオン電池はどこにでも普及しているにもかかわらず、なぜこれほど優れた性能を発揮するのか、その真意を理解している人はほとんどいません。ここで少しだけ、私たちと一緒にオタク的な考察をしてみましょう。
バッテリーの仕組みは、基本的にとてもシンプルです。電極と呼ばれる2つの電荷を帯びた端があり、直接触れ合うことができないように離れています。電子はマイナスに帯電した側からプラスに帯電した側に移動し、この動きによって電力が生成されます。バッテリーはさまざまなもの（学校で習ったかもしれませんが、ジャガイモもその1つです）から作ることができますが、本当に効果的なバッテリーを作るには、特定の仕様を満たす必要があります。まず、放出する電子が豊富にあることが望ましく、理想的には軽量であることも重要です。スマートフォンのバッテリー寿命が12時間でも、その重量が5ポンド（約2.3kg）であれば意味がありません。リチウムは電子を放出するのが非常に得意で、最も軽い金属の1つであるため、小さな容器に詰めて非常にエネルギー密度の高いものにすることができます。さらに、充電も可能です。
ニューヨークのビンガムトン大学のM・スタンレー・ウィッティンガムは、正極側にリチウム、負極側に硫化チタンを配置した電池の製造方法を発見したが、この方法には問題があった。電池を再充電すると、リチウム金属が電極全体に均一に堆積せず、デンドライトと呼ばれる小さな突起状に蓄積された。そして、このデンドライトが大きく成長して分離材を突き破り、反対側の電極に達すると、電池がショートし、発火する恐れがあったのだ。
解決策は、金属リチウムではなく、他の金属層に挟まれたリチウムイオンを使うことだと判明しました。リチウムイオンは、一部の金属の結晶構造内の点に結合し、整然とした配置で蓄えられます。リチウムイオンは正極から負極へ移動して電力を放電し、再び正極に戻って充電します。
しかし、リチウムイオンを他の物質よりも効率的に蓄える物質があることが判明しました。テキサス大学オースティン校のジョン・B・グッドイナフ氏は、より優れた新物質、酸化コバルトを発見しました。彼の電池はウィッティンガム氏の電池の2倍の電圧を誇りました。
この進歩により正極の効率は大幅に向上しましたが、負極にはまだ改善の余地がありました。日本の名城大学の吉野彰氏が、この最終段階の電池を完成させました。彼は、石油産業の炭素含有副産物である石油コークスが負極として驚くほど優れた性能を発揮することを発見し、その結果生まれた電池は従来のものよりもはるかに安全になりました。リチウムは非常に反応性の高い元素であるため、初期のリチウム電池は負荷がかかると発火したり爆発したりする可能性がありました。吉野氏の電池は巨大な鉄片で叩かれても大きな事故にならず、消費者向け製品への使用に適したものでした。（もし携帯電話を落とすたびに爆発する危険があったら、想像できますか？）
1991年、日本で初めてリチウムイオン電池が機器に搭載されましたが、それ以来、電池の進化はほぼ変わっていません。現在、正極の多くは酸化コバルトではなくリン酸鉄に置き換えられ、環境への配慮が強化されていますが、負極は依然として炭素系です。世界中の研究者たちは、よりエネルギー密度の高い電池を作るために、常に新しい、より優れた材料を模索していますが、今のところリチウムが圧倒的なリーダーです。
研究者たちが互いの研究成果を積み重ね、このように明確な連続的な改善を重ねることで、成功物語が生まれるのは稀有であり、そして素晴らしいことです。ノーベル賞は、孤独な天才が科学的ブレークスルーを達成するという神話を永続させているとしばしば批判されますが、現実には、最も重要な研究のほとんどは長年の試行錯誤、そして多くの料理人たちの努力の成果です。ノーベル賞は、特に有色人種や女性の研究を称えるという点において、賞が認定する分野を代表するには程遠いものです。しかし、少なくとも今年は、委員会は科学が反復的なものであるという事実を、ある程度強調しています。「これは、世代間、産業界と学界を超えた協力の力を示しています」とシャルパンティエ氏は言います。「悪魔は常に細部に宿ります。そして、この3人の受賞者の努力、忍耐、そして洞察力は驚くべきものです。」
